【老(lao)式(shi)(shi)掛鐘(zhong)原理】擺鐘(zhong)原理是什(shen)么 老(lao)式(shi)(shi)擺鐘(zhong)的工作(zuo)原理

您(nin)(nin)是否(fou)見過大座鐘(zhong)和小機械鬧鐘(zhong)的(de)內(nei)部結(jie)構(gou)，看過所有的(de)齒輪和彈簧發條后，是否(fou)想(xiang)，“哇——這(zhe)么復雜？”雖然時(shi)鐘(zhong)通常(chang)非常(chang)復雜，但您(nin)(nin)不必覺(jue)得困惑或(huo)不可(ke)思議(yi)。事實上(shang)，了(le)解(jie)(jie)時(shi)鐘(zhong)工(gong)作原理時(shi)，您(nin)(nin)可(ke)以(yi)(yi)想(xiang)象時(shi)鐘(zhong)設計(ji)(ji)者們是如何(he)面對(dui)和解(jie)(jie)決大量有趣(qu)的(de)問題(ti)，并設計(ji)(ji)出準確的(de)計(ji)(ji)時(shi)設備的(de)。本文將(jiang)幫助您(nin)(nin)了(le)解(jie)(jie)是什么使時(shi)鐘(zhong)發出嘀(di)嗒聲(sheng)，所以(yi)(yi)下次看到時(shi)鐘(zhong)內(nei)部結(jie)構(gou)時(shi)您(nin)(nin)就會(hui)明白一切了(le)。

讓我們先看一下擺鐘(zhong)的不(bu)同(tong)部件。

從1656年起，人們便(bian)開始使用擺鐘(zhong)(zhong)計時(shi)了(le)，但是(shi)此后擺鐘(zhong)(zhong)的(de)發展一直沒有(you)太大的(de)變(bian)化。擺鐘(zhong)(zhong)是(shi)第一款(kuan)具有(you)一定精確度的(de)時(shi)鐘(zhong)(zhong)。如果從外部(bu)觀看(kan)擺鐘(zhong)(zhong)，可以發現幾個對所有(you)時(shi)鐘(zhong)(zhong)的(de)機械裝置而言都很重要的(de)部(bu)件：

時鐘的表面、時針和分針（有時甚至有“月相”盤）。

有(you)一個或多個鐘錘（如果時鐘更現代，會有(you)一個鎖(suo)眼可用(yong)于給時鐘內上緊發條——本文將繼(ji)續(xu)以鐘錘驅(qu)動的(de)時鐘為例）。

當然(ran)，還(huan)有鐘擺本身(shen)。

大多數掛鐘(zhong)(zhong)(zhong)都(dou)有鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺(bai)(bai)，每(mei)(mei)秒鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺(bai)(bai)動一次(ci)(ci)。小(xiao)布谷(gu)鳥鐘(zhong)(zhong)(zhong)的鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺(bai)(bai)可以(yi)每(mei)(mei)秒鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺(bai)(bai)動兩次(ci)(ci)。大座鐘(zhong)(zhong)(zhong)的鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺(bai)(bai)每(mei)(mei)兩秒鐘(zhong)(zhong)(zhong)擺(bai)(bai)動一次(ci)(ci)。那么，這些部(bu)件(jian)如何協作以(yi)保(bao)持時(shi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)運行和時(shi)間準(zhun)確呢？首先(xian)，讓我們看一下鐘(zhong)(zhong)(zhong)錘。

鐘(zhong)錘(chui)的作用是作為一(yi)個能量存儲裝(zhuang)置，因(yin)此(ci)時(shi)鐘(zhong)可以在無(wu)人值(zhi)守的情(qing)況(kuang)下運(yun)行相對(dui)較長的時(shi)間(jian)。為鐘(zhong)錘(chui)驅動(dong)的時(shi)鐘(zhong)上緊(jin)(jin)發(fa)條時(shi)，可以拉(la)緊(jin)(jin)繩索(suo)提起鐘(zhong)錘(chui)。這會在地球重力場的作用下賦予鐘(zhong)錘(chui)勢能。我們一(yi)會可以看到，鐘(zhong)利用的正是鐘(zhong)錘(chui)下落時(shi)的勢能驅動(dong)機構進行運(yun)轉。

舉例來(lai)說，我(wo)(wo)們(men)要利(li)用(yong)(yong)下落(luo)(luo)的(de)鐘(zhong)錘(chui)設計一(yi)個(ge)最簡(jian)(jian)單(dan)(dan)的(de)時(shi)鐘(zhong)——只(zhi)有(you)秒(miao)針(zhen)(zhen)的(de)時(shi)鐘(zhong)。我(wo)(wo)們(men)想在這個(ge)簡(jian)(jian)單(dan)(dan)的(de)時(shi)鐘(zhong)上(shang)安裝秒(miao)針(zhen)(zhen)，使(shi)它象(xiang)任何時(shi)鐘(zhong)上(shang)的(de)正常(chang)秒(miao)針(zhen)(zhen)一(yi)樣(yang)工作，每60秒(miao)旋轉一(yi)周。我(wo)(wo)們(men)可以(yi)嘗試按右圖所(suo)示的(de)設計，只(zhi)需將鐘(zhong)錘(chui)細繩連(lian)接到(dao)(dao)滾(gun)筒，然后將秒(miao)針(zhen)(zhen)也連(lian)接到(dao)(dao)滾(gun)筒上(shang)。當然，這并不會(hui)起(qi)作用(yong)(yong)。在這個(ge)簡(jian)(jian)單(dan)(dan)的(de)機(ji)構中，釋放鐘(zhong)錘(chui)會(hui)導致它快速(su)下落(luo)(luo)，使(shi)滾(gun)筒以(yi)約1000rpm（轉數/分）的(de)速(su)度旋轉，直到(dao)(dao)鐘(zhong)錘(chui)落(luo)(luo)到(dao)(dao)地(di)板上(shang)。

但(dan)是(shi)，它(ta)(ta)會在正確的(de)方(fang)向前進。舉例來(lai)(lai)說，我們在滾(gun)筒上放置(zhi)某種摩(mo)擦裝(zhuang)置(zhi)——某種制動(dong)襯(chen)片或可以讓(rang)滾(gun)筒減速的(de)東西(xi)。這會起到(dao)作(zuo)用。我們當然能根據使秒針(zhen)每(mei)分(fen)鐘(zhong)旋轉(zhuan)一周的(de)摩(mo)擦力來(lai)(lai)設計(ji)某種方(fang)案。但(dan)它(ta)(ta)只能是(shi)近似值(zhi)。隨(sui)著(zhu)空氣溫度和濕(shi)度的(de)變化，裝(zhuang)置(zhi)的(de)摩(mo)擦力也會改變。因此，秒針(zhen)不會保持非常(chang)好(hao)的(de)準確性(xing)。

因(yin)此(ci)，追溯到17世紀(ji)，希望制造出準確時鐘的(de)(de)(de)(de)(de)人們曾努力(li)解決如何使秒鐘每分(fen)鐘旋轉(zhuan)一周的(de)(de)(de)(de)(de)問題。荷蘭天(tian)文(wen)學家克(ke)里(li)斯琴·惠更(geng)斯（Christiaan Huygens ）被(bei)譽為使用(yong)鐘擺(bai)(bai)的(de)(de)(de)(de)(de)第(di)一人。由于鐘擺(bai)(bai)具有非(fei)常有趣的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)性，因(yin)此(ci)非(fei)常有用(yong)：鐘擺(bai)(bai)擺(bai)(bai)動的(de)(de)(de)(de)(de)周期(qi)（鐘擺(bai)(bai)來(lai)回擺(bai)(bai)動一次(ci)所用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)時間）只和(he)鐘擺(bai)(bai)的(de)(de)(de)(de)(de)長度(du)和(he)重力(li)有關。由于地球(qiu)上任何特(te)定點(dian)的(de)(de)(de)(de)(de)重力(li)都是(shi)恒定的(de)(de)(de)(de)(de)，所以影響鐘擺(bai)(bai)運動周期(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)只有鐘擺(bai)(bai)的(de)(de)(de)(de)(de)長度(du)。重量并(bing)不是(shi)問題，鐘擺(bai)(bai)擺(bai)(bai)動的(de)(de)(de)(de)(de)弧長度(du)也不是(shi)問題，只有鐘擺(bai)(bai)的(de)(de)(de)(de)(de)長度(du)是(shi)決定因(yin)素。如果不信，您可以嘗試(shi)做下一頁的(de)(de)(de)(de)(de)實驗！

正如我們在上(shang)一(yi)(yi)頁(ye)所(suo)說的(de)那樣(yang)，影響擺鐘(zhong)周期的(de)唯一(yi)(yi)因素(su)是鐘(zhong)擺的(de)長度。您(nin)可(ke)以通過以下實驗證明這個事實。要做(zuo)這個實驗，您(nin)需要準備：

鐘錘、細(xi)繩、桌子、帶秒(miao)針的(de)手表(biao)（或(huo)有(you)數字秒(miao)數顯示的(de)數字手表(biao)）。

您可以將任何東西當作鐘(zhong)(zhong)錘(chui)。必要(yao)時，咖啡杯(bei)或書都可以——這并不重要(yao)。將細繩(sheng)系(xi)到鐘(zhong)(zhong)錘(chui)上(shang)。然后(hou)將鐘(zhong)(zhong)擺(bai)懸掛在桌子邊緣(yuan)，這樣鐘(zhong)(zhong)擺(bai)長度(du)就大約有61厘米，如下圖(tu)所示：

現在將鐘(zhong)(zhong)錘向后(hou)(hou)拉約30厘米(mi)，然后(hou)(hou)讓鐘(zhong)(zhong)擺(bai)開(kai)始(shi)擺(bai)動(dong)(dong)。計(ji)時30或60秒鐘(zhong)(zhong)，統計(ji)鐘(zhong)(zhong)擺(bai)來回擺(bai)動(dong)(dong)的次(ci)數。記住擺(bai)動(dong)(dong)次(ci)數。現在，停止(zhi)鐘(zhong)(zhong)擺(bai)然后(hou)(hou)重(zhong)新開(kai)始(shi)擺(bai)動(dong)(dong)它(ta)，但(dan)這(zhe)(zhe)次(ci)只(zhi)將它(ta)向后(hou)(hou)拉約15厘米(mi)，這(zhe)(zhe)樣它(ta)擺(bai)動(dong)(dong)的弧(hu)度(du)就比較(jiao)小(xiao)。同樣在30或60秒鐘(zhong)(zhong)內統計(ji)擺(bai)動(dong)(dong)次(ci)數。您會發現得到(dao)的統計(ji)數字(zi)與第一(yi)次(ci)統計(ji)的數字(zi)相同。換(huan)句話說，鐘(zhong)(zhong)擺(bai)擺(bai)動(dong)(dong)的弧(hu)度(du)對周(zhou)期(qi)沒有影響。只(zhi)有鐘(zhong)(zhong)擺(bai)線繩的長(chang)度(du)至(zhi)關重(zhong)要。如果(guo)擺(bai)弄鐘(zhong)(zhong)擺(bai)長(chang)度(du)，您會發現可以通過調整鐘(zhong)(zhong)擺(bai)長(chang)度(du)使它(ta)來回擺(bai)動(dong)(dong)60次(ci)正好為(wei)一(yi)分鐘(zhong)(zhong)。

注意到有關鐘(zhong)擺的(de)(de)這個事(shi)實后，您就會發現可以用(yong)鐘(zhong)擺設計出(chu)準(zhun)確的(de)(de)時鐘(zhong)。下圖(tu)顯示(shi)了利(li)用(yong)鐘(zhong)擺設計時鐘(zhong)棘(ji)輪裝置的(de)(de)方法。

棘輪裝置中有(you)一(yi)(yi)個輪齒(chi)(chi)帶有(you)特(te)定形狀的齒(chi)(chi)輪。還有(you)一(yi)(yi)個鐘(zhong)(zhong)擺，連接鐘(zhong)(zhong)擺的是(shi)可(ke)以嚙合(he)齒(chi)(chi)輪輪齒(chi)(chi)的某種裝置。圖中展示(shi)的基本觀點(dian)是(shi)，鐘(zhong)(zhong)擺來回(hui)擺動一(yi)(yi)次(ci)，齒(chi)(chi)輪就會有(you)一(yi)(yi)個輪齒(chi)(chi)“逃脫”。

例如，如果(guo)鐘(zhong)擺(bai)向(xiang)左擺(bai)動(dong)并(bing)(bing)通過右圖中所示(shi)的中心位置，那么(me)當(dang)鐘(zhong)擺(bai)繼(ji)續向(xiang)左擺(bai)動(dong)時，連接(jie)鐘(zhong)擺(bai)的左側制(zhi)動(dong)部(bu)件(jian)便會(hui)(hui)將釋放一個輪齒(chi)(chi)。然后，齒(chi)(chi)輪會(hui)(hui)前(qian)進半(ban)個輪齒(chi)(chi)的寬度(du)并(bing)(bing)撞到右側制(zhi)動(dong)部(bu)件(jian)。向(xiang)前(qian)運動(dong)并(bing)(bing)撞上制(zhi)動(dong)部(bu)件(jian)的過程(cheng)中，齒(chi)(chi)輪會(hui)(hui)發出(chu)聲(sheng)響......最常(chang)見的是“滴(di)嗒”或“嗚聲(sheng)”。這正是時鐘(zhong)或手表發出(chu)嘀(di)嗒聲(sheng)的原因！

需(xu)(xu)要記(ji)住(zhu)一(yi)件事(shi)，鐘(zhong)擺(bai)(bai)(bai)不(bu)(bu)會(hui)永(yong)不(bu)(bu)停歇(xie)地(di)擺(bai)(bai)(bai)動(dong)。因(yin)此(ci)，棘(ji)輪(lun)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)齒輪(lun)的(de)另一(yi)個(ge)作(zuo)用是賦予(yu)鐘(zhong)擺(bai)(bai)(bai)足夠的(de)能(neng)量，使(shi)鐘(zhong)擺(bai)(bai)(bai)能(neng)夠克(ke)服摩(mo)擦力并保(bao)持擺(bai)(bai)(bai)動(dong)。為(wei)了完成這個(ge)任務(wu)，錨（連接(jie)鐘(zhong)擺(bai)(bai)(bai)的(de)機械(xie)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)的(de)名稱，每次釋放一(yi)個(ge)棘(ji)輪(lun)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)齒輪(lun)輪(lun)齒）和棘(ji)輪(lun)裝(zhuang)(zhuang)置(zhi)(zhi)齒輪(lun)的(de)輪(lun)齒被設(she)計為(wei)特殊形狀。如果齒輪(lun)的(de)輪(lun)齒正確(que)逃脫，鐘(zhong)擺(bai)(bai)(bai)每擺(bai)(bai)(bai)動(dong)一(yi)次錨都會(hui)在適當的(de)方(fang)向施加一(yi)個(ge)輕(qing)推力。輕(qing)推力增強了鐘(zhong)擺(bai)(bai)(bai)克(ke)服摩(mo)擦力所需(xu)(xu)的(de)能(neng)量，從而使(shi)它能(neng)保(bao)持擺(bai)(bai)(bai)動(dong)。

這樣，您就設計出了一個棘輪裝置。如果棘輪裝置齒輪有60個輪齒，該齒輪直接連接到上面討論的鐘錘滾筒，并且使用周期為一秒的鐘擺，您就會成功設計秒針旋轉速度為每分鐘一周的時鐘。如果非常小心地調整鐘擺長度，我們可以設計出精確度非常高的時鐘。

不過，該時鐘雖然(ran)準確，但仍存在兩個問題，這(zhe)使它不太實用：

大(da)多數人(ren)都希(xi)望(wang)時鐘有時針(zhen)和分針(zhen)。

您(nin)必須每(mei)隔(ge)(ge)20分(fen)鐘(zhong)給時鐘(zhong)重(zhong)新上(shang)一次(ci)發條。因為鐘(zhong)錘每(mei)分(fen)鐘(zhong)旋轉(zhuan)一周，所以(yi)鐘(zhong)錘會很快地走松而落到地板上(shang)。大(da)多(duo)數(shu)人都不會喜歡每(mei)隔(ge)(ge)20分(fen)鐘(zhong)重(zhong)新上(shang)一次(ci)發條！

那么，如何解決上緊發條的問題呢？請繼(ji)續(xu)往下看......

必須每隔(ge)20分鐘(zhong)重上一次發(fa)條(tiao)的問題很容易解決。正如齒輪(lun)(lun)比原理中所討論的，您(nin)可以設計(ji)高速(su)(su)比齒輪(lun)(lun)系，使齒輪(lun)(lun)滾筒每隔(ge)6至12小時旋(xuan)轉一周。這(zhe)樣，您(nin)會得到只需一周左右重新上一次發(fa)條(tiao)的時鐘(zhong)。鐘(zhong)錘滾筒與棘(ji)輪(lun)(lun)裝置齒輪(lun)(lun)之間的齒輪(lun)(lun)齒速(su)(su)比可能為500：1，如下圖所示：

圖(tu)中(zhong)的棘輪(lun)(lun)(lun)裝置(zhi)齒(chi)(chi)輪(lun)(lun)(lun)有120個輪(lun)(lun)(lun)齒(chi)(chi)，鐘擺的周(zhou)期為(wei)半秒(miao)鐘，并且(qie)秒(miao)針(zhen)直接連到(dao)棘輪(lun)(lun)(lun)裝置(zhi)齒(chi)(chi)輪(lun)(lun)(lun)。鐘錘(chui)齒(chi)(chi)輪(lun)(lun)(lun)系中(zhong)每個齒(chi)(chi)輪(lun)(lun)(lun)的齒(chi)(chi)數比(bi)為(wei)8：1，因此(ci)整個齒(chi)(chi)輪(lun)(lun)(lun)系的齒(chi)(chi)數比(bi)為(wei)492：1。

您(nin)可以(yi)看(kan)到(dao)，如果讓棘輪(lun)裝置齒輪(lun)自身以(yi)60：1的(de)齒數(shu)比(bi)驅(qu)動(dong)另一個齒輪(lun)系，則可以(yi)將分針安裝到(dao)該齒輪(lun)系的(de)最后一個齒輪(lun)上。齒數(shu)比(bi)為(wei) 12：1 的(de)最后一個齒輪(lun)系將驅(qu)動(dong)時(shi)針。轉瞬之間(jian)您(nin)就有了一個時(shi)鐘！

雖然現在這個(ge)時鐘不錯，但還存(cun)在兩個(ge)問題：

時針(zhen)(zhen)(zhen)、分(fen)針(zhen)(zhen)(zhen)、秒針(zhen)(zhen)(zhen)位于(yu)不同的(de)(de)軸(zhou)上。這個問題(ti)通常利用齒(chi)輪(lun)上的(de)(de)空心(xin)軸(zhou)加(jia)以解決(jue)，然(ran)后排(pai)列齒(chi)輪(lun)系，使(shi)驅動時針(zhen)(zhen)(zhen)、分(fen)針(zhen)(zhen)(zhen)和秒針(zhen)(zhen)(zhen)的(de)(de)齒(chi)輪(lun)共(gong)用同一(yi)軸(zhou)。空心(xin)齒(chi)輪(lun)軸(zhou)是一(yi)個對(dui)準(zhun)另一(yi)個。近距離(li)觀看任(ren)一(yi)時鐘表面，您都可以看到這種排(pai)列。

由于(yu)所有這些齒輪(lun)都(dou)直接連(lian)在一起，所以(yi)不能輕易地重新(xin)上緊發(fa)(fa)條(tiao)或設(she)(she)置時鐘(zhong)。這個問題通常(chang)由一個可(ke)滑出齒輪(lun)系的(de)齒輪(lun)來解決(jue)。當您拉出手表的(de)轉柄設(she)(she)置時間時，實際上運用的(de)就(jiu)是這個方法。在上圖中，您可(ke)以(yi)設(she)(she)想臨時取出黑色的(de)小(xiao)齒輪(lun)以(yi)上緊發(fa)(fa)條(tiao)或設(she)(she)置時鐘(zhong)。

您可(ke)以看到(dao)，盡管時鐘(zhong)內的所有齒輪(lun)使(shi)它看起來(lai)很復(fu)雜，但是擺鐘(zhong)的工作原理非(fei)常簡單。它共分為(wei)五個基(ji)本部分：

鐘錘(chui)或(huo)發(fa)條——這可以(yi)為時鐘的(de)指(zhi)針旋轉提供(gong)能量(liang)。

鐘錘齒(chi)輪(lun)系——高齒(chi)速(su)比齒(chi)輪(lun)系可以驅動鐘錘滾筒增速(su)，因此不需要頻繁地重新上緊發條。

棘(ji)(ji)輪裝置(zhi)——由鐘擺、錨和棘(ji)(ji)輪裝置(zhi)齒(chi)輪構成，棘(ji)(ji)輪裝置(zhi)可以精確調節鐘錘能(neng)量釋(shi)放的速度(du)。

指針(zhen)齒(chi)輪(lun)系——指針(zhen)齒(chi)輪(lun)系可(ke)以減速(su)(su)，因(yin)此分針(zhen)和時鐘能夠以正確的速(su)(su)度(du)運轉。

撥針機構——該機構可(ke)以分離、滑動或漸(jian)進齒輪系(xi)，因此時鐘可(ke)以重新(xin)上緊發條和撥針。

了解這些部件后，理解時鐘工(gong)作原理就是輕松(song)的事(shi)了！

管機(ji)械(xie)鬧鐘(zhong)已經(jing)有很長的(de)歷史(shi)了，但對它(ta)們(men)進行(xing)探索仍然很有趣。有關(guan)一般鐘(zhong)表的(de)更多信(xin)息，請(qing)查看標題(ti)為擺(bai)鐘(zhong)工作原理的(de)文章(zhang)。下圖所示(shi)的(de)就是我們(men)現(xian)在(zai)將要拆(chai)解(jie)的(de)鬧鐘(zhong)：

取下(xia)發條旋柄和(he)后蓋，鬧鐘的內部結構便顯示在(zai)我們眼(yan)前：

將支腳(jiao)、鬧鈴、指針(zhen)、面板和邊(bian)緣的固定環(huan)拆(chai)去，您(nin)最終得(de)到的就是鬧鐘的機械系統(tong)。

這只鬧鐘（同大多數臺鐘和手表一(yi)樣）使用了(le)振蕩(dang)輪(lun)來代替鐘擺。振蕩(dang)輪(lun)和(he)它的(de)發(fa)條(tiao)位于鬧鐘底部(bu)。在上圖(tu)中(zhong)，鬧鐘的(de)主發(fa)條(tiao)在右(you)上方。左邊的(de)發(fa)條(tiao)用于驅(qu)動鬧鈴，它有自己的(de)齒輪(lun)傳動鏈和(he)擒縱機。

在下圖中您可以看到該機械系(xi)統的正面(mian)。指針便是安裝在中心的同(tong)心軸上。

從側面可以看到(dao)機械系統中各大小不同的齒輪是如何嚙合到(dao)一起的。

下圖是振蕩輪的前景(jing)照，它的動力由一(yi)些齒輪來傳入。

這只鬧(nao)鐘看起來復雜，但實(shi)際上只有(you)十幾個運動機件。在主(zhu)發條和擒(qin)縱輪之間有(you)四(si)(si)個齒(chi)輪。第四(si)(si)個齒(chi)輪的中軸驅動秒(miao)針(zhen)。其余部件包(bao)括擒(qin)縱輪、支軸、振(zhen)蕩輪和發條。共有(you)四(si)(si)個齒(chi)輪用于驅動時針(zhen)、分針(zhen)和鬧(nao)針(zhen)。另外有(you)兩(liang)個齒(chi)輪驅動鬧(nao)錘，其中一(yi)個還兼(jian)作擒(qin)縱輪。